BAKALÁŘSKÁ PRÁCE - zcu.cz...IV. Abstrakt Vyroubal, Evžen. Procesorem řízený spínaný regulovatelný zdroj proudu. Plzeň, 2012. Návrh silového spínaného zdroje proudu,

I.

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Procesorem spínaný, regulovatelný zdroj proudu

Autor práce: Evžen Vyroubal Vedoucí práce: Ing. Matouš Bartl Plzeň 2012

II.

III.

IV.

Abstrakt

Vyroubal, Evžen. Procesorem řízený spínaný regulovatelný zdroj

proudu. Plzeň, 2012. Návrh silového spínaného zdroje proudu, který je

dimenzován na výstupní proud 50[A].Volbou vysoké spínací frekvence je

zajištěn malý rozměr spínacího transformátoru, pro spínací tranzistory bylo

použito půlmůstkové zapojení, následné usměrnění pomocí dvoucestného

usměrňovače a filtrace výstupního signálu pasivním filtrem. Spínaný zdroj

je napájen z 12[V] baterie a slouží k napájení vyvíječe brownova plynu.

Klíčová slova Spínaný zdroj proudu, vodíkový booster, vysoký proud.

V.

Abstrakt

Vyroubal, Evžen. Microprocessor controlled switching adjustable

current source [Procesorem řízený spínaný regulovatelný zdroj proudu.]

Plzeň, 2012. Designing power switching current source which is dimension

for output current about 50[A]. By choosing high switching frequency is

guaranteed small dimension of switching transformaotr , for switching

transistors was used half-bridge connection. Next step is rectifying by two-

way rectifiers and filtration output signal by passive filter. Switching source

is powered by 12 [V] battery and it’s designed for device for production

Brown’s gas.

Keywords

Switching current source, burn water, high current.

VI.

Prohlášení

Předkládám tímto k posouzení a obhajobě bakalářskou práci, zpracovanou

na závěr studia na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni.

Prohlašuji, že jsem svou závěrečnou práci vypracoval samostatně

pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a

dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny

v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce

dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této závěrečné práce jsem

neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným

způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom

následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č.

121/2000 Sb., včetně možných trestně-právních důsledků vyplývajících z

ustanovení § 270 trestního zákona č. 40/2009 Sb.

Také prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové

práce, je legální.

V Plzni dne . . . . . / . . . . . / 2012

Evžen Vyroubal

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Podpis

VII.

Obsah………………………………………………VII.

Seznam obrázk ů………………………………….IX.

Seznam symbol ů a vzorc ů……………………...X.

Úvod……………………………………………….XII.

1. Vodíkové boostery : …………………………..1.

1.1 Princip funkce …………………………..1.

1.2 Efektivita booster ů ……………………..1.

2. Zadané a požadované parametry SZP ……..2.

2.1 Popis zdroje ……………………………..3.

3. Postupný popis návrhu spínacího zdroje ...4.

3.1 Návrh Výkonového transformátoru …………...4.

3.2 Určení převodního pom ěru ……………………..5.

3.3 Výpočet počtu závit ů na primárním a ……….. 6. sekundárním vinutí transformátoru

3.4 Výpočet induk čnosti primárního vinutí ….......6. transformátoru:

3.5 Výpočet průřezu vodi čů a hloubky vniku ……7.

3.6 Návrh spínacího tranzistorového m ůstku ...…7.

3.6.1 Dimenzování spínacích tranzistor ů.8.

3.6.2 Ochrana spínacích prvk ů …………..8.

3.7 Návrh Usm ěrňovače ……………………………..9.

3.8 Návrh Induk čnosti ……………………………….10.

3.9 Návrh Chladícího systému …………………….11.

3.9.1 Výpočet chladi če ………………………..11.

3.10 Kondenzátorové baterie ………………………12.

VIII.

3.10.1 Vstupní kapacitní baterie ………………12.

3.10.2 Výstupní kapacitní baterie …………….13.

3.11 Řídící deska ……………………………………14.

4. Měření proud ů ………………………………….14.

5. Rozbor použitých sou částek ………………..15.

5.1 Mikroprocesor ………………………………….15.

5.2 Transformátor ………………………………….16.

5.3 Spínací tranzistory …………………………….17.

5.4 Usměrňovací diody ……………………………18.

5.5 Zdroje nap ětí pro IO …………………………..19.

6. Závěr ……………………………………………..20.

Reference a použitá literatura ………………….21.

A. Přílohy

A.1 El. Schéma zapojení řídící DPS

A.2 El. Schéma zapojení hlavní DPS

A.3 Osazovací schéma řídící DPS

A.4 Osazovací schéma hlavní DPS

IX.

Seznam obrázk ů


A.2 El. Schéma zapojení hlavní DPS

A.3 Osazovací schéma řídící DPS

A.4 Osazovací schéma hlavní DPS

Seznam symbol ů, zanček a zkratek

SZP…………………………Spínaný zdroj proudu.

BP…………………………..Bakalářská práce.

V……………………..……..Volt, jednotka napětí.

A……………………………Ampér, jednotka proudu.

W…………………………...Watt, jednotka výkonu.

LC filtr……………………...Pasivní filtr typu dolní propust.

DPS…………………………Deska plošného spoje.

JTAG……………………….Programovací konektor mikroprocesoru.

PWM……………………….Pulzně-šířkoví-modulace.

ADC………………………...Analogově-digitální převodník.

Permeabilita µ ……………..Schopnost materiálu zmagnetizovat se [H/m].

T……………………………Perioda signálu.

B……………………………Magnetická indukce [T].

SMD......................................Součástky pro povrchovou montáž.

Zdroj………………………..Zdroj napětí.

Jádro transformátoru……….Vlastní feritové jádro.

Zátěž………………………..Impedance elektrolyzéru.

Skin efekt…………………...Způsob šíření proudu při vyšších frekvencích,

(povrchový jev).

MOS-FET tranzistor………..Polem řízený tranzistor.

Kondenzátor, kapacitor……..Akumulátor náboje.

X.

Indukčnost,cívka…………..Akumulátor magnetického pole.

Odpor kanálu…………........Ohmický odpor kanálu, je-li otevřen.

Hallova sonda……………....Bezkontaktní čidlo proudu.

Low-power……………........Nízko-energeticky náročné zařízení.

Sběrnic typu harvard………..Sběrnice se složitější instrukční sadou (PC).

Bočník……………………….Způsob zapojení impedancí pro rozdělení

proudu.

Driver………………………..Zdroj vysokého proudu ke spínání tranzistorů.

Doba zotavení diod………….Doba po kterou nelze diodu zatěžovat.

VB……………………..........Vodíkový BOOSTER, zařízení, které pomocí

obohacení palivové směsi vodíkem zlepšuje

účinnost spalovacího motoru.

Elektrolyzér…………………Zařízení, které je schopno oddělit vodík a

kyslík z H2O pomocí elektrického napětí.

Půl můstkové zapojení……...Zapojení dvou paralelních větví tranzistorů na

výstupy cívky s vyvedeným středem vedení.

Obdélníkový signál…………Signál ve tvaru digitální binární informace,

disponuje stavy 1 a 0.

Galvanické oddělení………..Propojení elektricky vodivých cest, cestou

elektricky nevodivou, bez větších ztrát na

spoji.

XI.

Seznam použitých vzorc ů

3.2.1 – Určení převodního poměru.

3.3.1 – Výpočet počtu závitů na transformátoru.

3.4.1 – Výpočet indukčnosti vinutí transformátoru.

3.4.2 – Výpočet rozkmitu proudu na primárním vinutí.

3.5.1 – Výpočet průřezu vodiče.

3.5.2 – Výpočet hloubky vniku.

3.8.1 – Výpočet indukčnosti cívky.

3.9.1 – Výpočet ztrátového výkonu pro chladič.

3.9.2 – Výpočet teploty pro dimenzování chladiče.

3.10.1.1 – Výpočet kapacity vstupní kapacitní baterie.

3.10.2.1 – Výpočet kapacity výstupní kondenzátorové baterie.

5.2.1 – Síla působící v transformátoru.

XII.

Úvod

V této bakalářské práci prezentuji problematiku návrhu a konstrukce

procesorem řízeného regulovatelného, spínaného zdroje proudu o výstupní

parametrech 12[V] / 50[A] / 700[W] . Charakterem se jedná o galvanicky

neoddělený spínaný zdroj proudu (dále jen SZP), který používá pro spínání

napětí do transformátoru půlmůstkové zapojení spínacích tranzistorů.

Pro usměrnění obdélníkového impulsního signálu je použit dvoucestný

usměrňovač, který je následován filtrem typu “LC“, který se skládá

z axiálně umístěné indukčnosti a radiálně umístěné kapacity, jenž tvoří

dolno-propustní filtr.

Cílem této bakalářské práce (dále jen BP), je vytvořit odpovídající zdroj pro

vyvíječ Brownova plynu (elektrolyzér), který se nejčastěji používá pro

obohacení palivové směsi v automobilových motorech, pro dosažení

vyššího výkonu vozidla, při současném snížení spotřeby paliva.

Ochranu součástek zapojení a ochranu uživatele zde provádí procesor

pomocí měření proudů a napětí, z čehož vyhodnocuje, je-li potřebné zavřít

spínací tranzistory, řízené pomocí PWM z mikroprocesoru.

Rešerše

Při porovnání této bakalářské práce s referenční bakalářskou prací,

“Spínaný laboratorní zdroj napětí“ [1] je patrné, že zařízení které bylo

navrhováno v referenční BP nedosahuje výkonů, které splňuje tato BP, s

čímž se pojí řešení problematiky dimenzace všech součástí SZP na příslušné

proudy. Dále se pak jedná v případě této BP o konkrétní, unikátní

specializaci SZP pro napájení z autoakumulátoru a obecně pro řešení do

automobilu, což vyžaduje větší mechanickou odolnost výsledného SZP.

Procesorem spínaný zdroj proudu Evžen Vyroubal ___________________________________________________________________

Mikroprocesorem spínaný zdroj proudu Evžen Vyroubal

Str.1

1. Vodíkové boostery :

[2]Volným překladem, dle známé terminologie můžeme

interpretovat název BURN WATER jako „Vodíkové boostery“ jsou to

zařízení primárně určená pro montáž do vozidel, za účelem snížení spotřeby

paliva a zvýšení výkonu motoru. Vodíkové boostery (dále jen VB) také

prodlouží životnost motoru a zlepšení jeho emisní parametry k čemuž dojde

v důsledku přidání směsi vodíku a kyslíku do nasávaného vzduchu do

motoru, jenž napomáhá rozpouštět karbonové usazeniny v motoru vozidla.

V současné době jsou VB poměrně rozšířené, především v anglicky

mluvících zemích a existuje řada firem, které se touto problematikou

zabývají. Některé dodávají hotové vyvíječe s příslušenstvím, některé

obchodují se stavebnicovými sadami a za přijatelný poplatek poskytují

podrobný návod na výrobu, instalaci a provoz VB. Příkladem takové firmy

je Water4Gas

1.1 Princip funkce [3]

Podstatou činnosti zařízení je výroba vodíku, který následně obohatí směs

určenou ke spalování v motoru. Vodík se ve VB získává elektrolýzou vody

H2O. Ovšem na rozdíl od klasických elektrolyzérů neprodukují VB

elektrolýzou vznikající plyny, tedy vodík a kyslík, odděleně, ale směs těchto

plynů, která obsahuje na každé dva atomy vodíku jeden atom kyslíku. Této

směsi se obvykle říká Brownův plyn a označuje se značkou HHO, jedná se

o oxyhydrogen, směs vodíku a kyslíku navíc zvyšuje koncentraci kyslíku v

nasávaném vzduchu a zlepšuje tak spalování, a přispívá tak ke zvýšení

výkonu motoru.

1.2 Efektivita booster ů

Úvodem věnujme několik slov klasické námitce, že booster vyrábí vodík a

kyslík s použitím elektrického proudu generovaného jeho spalováním, a že

tedy případná úspora by byla porušením zákona o zachování energie. Zde je

třeba si uvědomit, že produkovaný Brownův plyn není spalován sám o sobě,


Str.2

ale že přispívá k efektivitě spalování většího množství klasického paliva.

Projevuje se zde tedy multiplikační (zesilovací) efekt, kdy

energie spotřebovaná na vývin relativně malého množství Brownova plynu

je bohatě vyvážená ziskem z efektivnějšího spalování standardního

paliva.Výrobci boosterů a prodejci návodů obvykle uvádějí snížení spotřeby

paliva o 5 až 30%, tak vysoký rozptyl hodnot má opodstatnění ve způsobu

přípravy palivové směsi.

Moderní motory, ať již benzínové nebo naftové, nemají karburátor, který

udržuje do značné míry stabilní poměr množství nasávaného vzduchu a

množství přidávaného paliva.

V případě karburátoru platí jednoduchá úvaha snížení spotřeby, při zlepšení

kvality paliva, tedy při obohacení paliva HHO. Motor podává lepší výkon,

řidič proto není nucen příliš stláčet plynový pedál, tedy při stejně rychlé

jízdě spotřebuje méně paliva.

V případě modernějších motorů, kvalitní instalací boosteru dosáhnete

úspory paliva 5 až 30% (podle typu řídící jednotky). Zvýšení výkonu se u

těchto motorů dá kalibrovat přednastavením poměru vzduchu ave

výfukových plynech (tedy úpravou napětí z lambda sondy, pomocí zařízení

typu EFIE (Electronic Fuel Injection Enhancer, v překladu Elektronický

vylepšovač vstřikování paliva).

2. Zadané a požadované parametry SZP

- Výstupní výkon Pout = 700 [W];

- Vstupní napětí Uin = 10 ~12 [V];

- Výstupní napětí maximální Uoutmax = 0 ~ 40 [V];

- Výstupní proud maximální Ioutmax = 50 [A];


Str.3

2.1 Popis zdroje

Zdroj je volen koncepčně jako galvanicky neoddělený, půlmůstkový

spínací zdroj. Spínaný zdroj proudu (dále jen SZP ) není nutné

galvanicky oddělovat, jelikož v celém zařízení pracujeme s poměrně

malým napětím, vzhledem ke spínací frekvenci 100KHz jsou zařízení

opatřena kapacitory na vstupech napájení, čímž zle zamezit kolísání

napájecího napětí, přičemž je věnována zvláštní pozornost řídící DPS

s procesorem.

SZP je napájen z autobaterie která dokáže krátkodobě dodat i teoreticky

maximální požadovaný proud cca. 220 [A] , na vstupu napájecího napětí

z autobaterie do SZP je připojena baterie kondenzátorů.

Vlastní SZP používá 4 MOS-FET tranzistory, které jsou zapojeny

v půlmůstkovém zapojení, konkrétně se jedná o paralelní zapojení vždy

dvou tranzistorů, což z ekonomických důvodů umožňuje použít levnější

součástky a snižuje tím proudové zatížení na plošné spoje.

Dále je SZP osazen masivním transformátorem, který zajišťuje omezení

výstupního napětí, přičemž jej primárně zesiluje. Transformátor

umožňuje oproti jiným součástkám transformovat velké množství

proudu, který je potřebný pro vodíkový booster.

Dalším funkčním blokem je dvoucestný usměrňovač , ve které jsou opět

paralelně zdvojeny diody pro ekonomičtější výrobu zařízení, podobně

jako u spínacích tranzistorů.

A relativně posledním funkčním blokem je pasivní filtr, typu dolní

propust, který se sestává ze tlumivky a výstupní baterie kapacitorů.


Str.4

3. Postupný popis návrhu spínacího zdroje:

Návrh schémat řídící a hlavní silové desky, stejně tak jako osazovací schémata v přílohách


A.2 El. Schéma zapojení hlavní DPS A.3 Osazovací schéma řídící DPS A.4 Osazovací schéma hlavní DPS

3.1 Návrh Výkonového transformátoru

Transformátor navrhujeme zejména pro spínací frekvenci f = 100

[KHz] a pro odolnost proti vysokému proudu na primární straně. Z tohoto

důvodu byla zvolena planární koncepce transformátoru, tedy konkrétně

z důvodu potřebných ploch vedení, vzhledem k přenášenému proudu.

Planární konstrukce transformátoru je provedena pomocí jednostranných

desek plošných spojů na kterých je vytvořen patřičný počet závitů, dle

návrhu transformátoru, jenž následuje. Plocha jednoho závitu, nebo lépe

šířka jednotlivých závitů je úměrná procházejícímu proudu při zohlednění

spínací frekvence 100KHz, přičemž je nutné započítat do návrhu skin-efekt.

Dalšímy parametry, které je nutné určit je za prvé převodový poměr, který

určuje maximální výstupní napětí SZP. Za druhé počet závitů na primárním

vinutí transformátoru z proudu jenž jím protéká a z parametrů jádra

transformátoru, pomocí převodového poměru přepočteme z počtu závitů na

primárním vinutí, počet závitů na sekundárním vinutí.

Za třetí určíme indukčnost prim. vinutí pomocí počtu závitů N1 a parametrů

jádra transformátoru, stejně tak určíme indukčnost sekundárního vinutí. Ze

známých indukčností následně určíme proudová zvlnění na primárním a

sekundárním vinutí, dále maximální proud který lze očekávat na výstupu

SZP ( který je vždy ponížen o ztráty vzniklé usměrněním a filtrací proudu ).


Str.5

Z datasheetu k použitému transformátorovému jádru (ETD49) se zohlednily

provozní parametry, které jsou při odečítání hodnot jádra nezbytné pro

výpočty.

Vzhledem k předpokládanému maximálnímu proudu, který může protékat

primárním vinutím transformátoru, Iinmax cca 215[A], bylo primární vinutí

koncepčně rozděleno na 2 stejná vinutí, do kterých budou spínat proud 4

výkonové tranzistory v půl-můstkovém zapojení, čímž dojde k menšímu

zatížení primárního vinutí vzhledem k rozložení proudu do zmíněných dvou

vinutí a dále je možné zapojení realizovat s tranzistory, které jsou

dimenzovány na poměrně menší proudové hodnoty.

Sekundární vinutí je taktéž rozděleno na dvě stejné poloviny vzhledem

k navazujícímu dvoucestnému usměrňovači napětí, který pro svou činnost

vyžaduje vinutí s vyvedeným středem.

Pro praktickou realizaci transformátoru je dále důležitý průřez vodičů

jednotlivých cívek, přičemž je nutné při spínací frekvenci 100[KHz]

uvažovat i vznik skin efektu .

3.2 Určení převodního pom ěru :

Převodní poměr p určíme z podílu výstupního napětí ku vstupnímu

napětí, budeme uvažovat minimální Uin a maximální Uout, pro zajištění

požadovaných výstupních hodnot I při minimálním napětí Uin, možný

nárůst Uout přes stanovenou mez Uoutmax omezíme měřením Uout

v procesoru a následně omezíme šířku spínacího impulzu tranzistorů.

-][41040

minmax ===

Uin

Uoutp

(3.2.1)


Str.6

3.3 Výpočet počtu závit ů na primárním a sekundárním vinutí transformátoru N1,N2

Zohledníme možnost maximální hodnoty vstupního napětí Uin

15[V], jelikož toto napětí zde může bát naměřeno, budeme-li uvažovat

za zdroj Uin autobaterii.

Výsledný počet závitů zaokrouhlíme na nejbližší vyšší celé číslo, čímž

vneseme do výpočtů a konstrukce jisté rezervy pro případné kolísání

hodnot součástek použitých ve výpočtech jakožto konstanty.

K nepřesnosti hodnot může dojít při teplotní závislosti, působením

okolního tepla či nedostatečném chlazení součástek.

V tomto kroku výpočtů je nutné zvolit spínací frekvenci tranzistorů v

půlmůstkovém zapojení, aby bylo možné určit hodnoty nutné pro

výpočty z datasheetů použitých součástek. Pro jádro transformátoru

ETD49(3F3) vyčteme z datasheetu následující hodnoty:

][114];/[1800

];[101

];[211];[2,0 2

mmlmHr

sf

TmmSTB

ef

ef

==

====

µ

µ

][8

][2)(

)))(((

)(

)(

12

1

ZNpN

ZSBd

TUinId

SBd

lIdN

=⋅=

≅⋅⋅⋅=

⋅⋅=

- Dále provedeme

3.4 Výpočet induk čnosti primárního vinutí na transformátoru

- s počtem závitů N dle vztahu :

][74,1602

Hl

SNL

ef

R µµµ =⋅⋅=

- Z indukčnosti je možné spočítat míru zvlnění proudu, který své

vlastnosti transformuje v nepřímém poměru na sekundární vinutí

transformátoru, což zavádí zvlnění proudu na výstupu SZP.∆I1 je zvlnění

proudu na primární cívce transformátoru a ∆I2 je zvlnění proudu na

sekundární cívce.

(3.3.1)

(3.4.1)


Str.7

][035.1I][14,4 12

11 A

p

IA

L

UTI

N

INMAX =∆=∆=>=⋅∆=∆

3.5 Výpočet průřezu vodi čů a hloubky vniku

Při určování průřezu vodiče vyjdeme z předpokladu že pro proud jedné

ampéry postačí průřez vodiče 4mm2 , který zde pracovně označím „r“ :

Kde SVOD je průřez vodiče, SPRIM je průřez vodiče na primárním straně

transformátoru, SSEC je průřez vodiče na sekundární straně transformátoru,

IPROT je proudu protékající vodičem, IPRIM je proudu protékající vodičem na

primární straně transformátoru, ISEC je proudu protékající vodičem na

sekundární straně transformátoru.

][34,12

];[37,49][

2..

2..

2.

mmr

IS

mmr

ISmm

r

IS

SECSEC

PRIMPRIM

PROTVOD

==

===>=

Při určování hloubky vniku, tedy skin-efektu, neboli o kolik je nutné vodič

rozšířit, v tomto případě se rozšířením vodiče myslí rozšíření cesty na DPS,

aby splňovala podmínky pro přenos daného proudu, využijeme vztahu : kde

δ je hloubka vniku, a f je frekvence spínání tranzistorů v půl-můstkovém

zapojení 100 000 [Hz] potom platí.

][23,0100000

7575mm

f≅==δ

3.6 Návrh spínacího tranzistorového m ůstku

Vzhledem ke spínací frekvenci požadujeme u výkonových spínacích

tranzistorů co nejmenší odpor kanálu, přechodu source do drain, kde by při

vysoké hodnotě ohmického odporu moli vznikat nadbytečné tepelné ztráty

výkonu.

(3.4.2)

(3.5.1)

(3.5.2)


Str.8

3.6.1 Dimenzování spínacích tranzistor ů

Jako spínací prvky (dále jen SP) budou použity tranzistory

typu MOSFET označení IRL 3803 pro 140A trvale procházející proud,

nicméně vzhledem k maximální možný hodnotám proudu, který se

teoreticky (při zanedbání veškerých ztrát, především tepelných navedení)

může vyskytnou na primární straně hlavního transformátoru, tedy hodnota

kolem 220A je nutné tranzistory seřadit paralelně, což pomůže rozložit

proudovou zátěž na jednotlivé tranzistory.

Pro rozložení proudů, je tedy nutné zdvojit půlmůstkové zapojení

tranzistorů, tedy i počet primárních vinutí. Z ekonomického hlediska jde o

úspornější řešení, které snižuje výsledné náklady na stavbu zařízení na úkor

větší složitosti z konstrukčního hlediska,

jelikož spínací tranzistory pro proudy 220A se pohybují cenově kolem

500Kč a více za kus a tranzistory pro 140A lze pořídit kolem 90Kč za kus,

dále bude zapojení dimenzováno s velkou rezervou na 280A přičemž

převodní poměr transformátoru umožňuje vznik maximálně 220A proudu na

primárním vinutí.

3.6.2 Ochrana spínacích prvk ů

Vedení které napájí primární vinutí transformátoru, musí být

minimálně dimenzované na příslušnou efektivní hodnotu procházejícího

proudu, což znamená rozšíření vodivých cest na desce plošného spoje, dále

jen DPS, to ovšem zvyšuje indukčnost hlavního silového vedení do primár.

vinutí transf.

Vzhledem k vysoké indukčnost jednak samotného silového vedení a také

vinutí na transformátoru, dochází k akumulaci proudu ve vedení, dále je


Str.9

nutné uvažovat velkou vstupní kapacitu, která napájí transformátor, tyto

parametry vedení způsobují akumulaci energie především v transformátoru.

Akumulovaná energie je využita pro vlastní transformaci napětí a proudů,

ale vzhledem k tomu že vysoká indukčnost na prim. straně transf.

Neumožňuje rychlou změnu velikosti proudu, dochází především na

primární straně transf. k napěťovým špičkám s opačnou polaritou, nežli je

polarita napájení prim. vinutí při sepnutí SP,

které ohrožují samotné spínací prvky, tranzistory, tedy z důvodu ochrany SP

jsou v jejich těsné blízkosti umístěny RC články ( tlumiče ), které dokáží

pohltit přebytečnou energii, při krátkodobé maximální hodnotě napětí a

proudu, která se projevuje především při spínání spínacích prvků na

frekvenci 100 [KHz] .

Jako svodová ochrana proti přepětí na SP slouží rychlá schottkyho dioda,

zapojená paralelně se spínacím kanálem spínacího tranzistoru, proti

proudovým špičkám slouží jako omezení, právě RC články, tedy rezistor

dimenzovaný na příslušný výkon a rychlý, nejčastěji keramický kondezátor.

Rezistor spaluje energii kterou při rychlých spínacích maximech

naakumuluje kondensátor.

3.7 Návrh Usm ěrňovače [4]

Usměrňovač byl zvolen vzhledem k přenášeným proudů jako

dvoucestný usměrňovač sestavený ze schottkyho diod typu „MBR4060PT“

které jsou dimenzovány na 40 [A], disponují nízkými ztrátami a jsou

konstrukčně určeny pro větší spínací frekvence, neboli mají kratší dobu

zotavení.

Pro tento typ usměrňovače byl upraven návrh transformátoru, na vyvedený

střed vinutí na sekundární straně transformátoru. Pro proudovou odolnost

která je na výstupu SZP na 50 [A] jsou diody zapojeny paralelně v obou

větvích.


Str.10

3.8 Návrh Induk čnosti [5]

Indukčnost na výstupu SZP je součástí pasivního dolno-propustního

filtru, který je složen z podélně zapojené indukčnosti (tlumivky) a příčně

(paralelně k výstupním svorkám SZP) připojené výstupní kondenzátorové

baterii.

Vzhledem k povaze výstupního napětí, tedy stejnosměrnému napětí není

nutné filtr dimenzovat na konkrétní frekvenci, stejně tak v žádné vyšší míře

neškodí vodíkovému boosteru vyšší harmonické frekvence, které se mohou

vyskytnou na výstupu SZP. Nicméně výstupní filtr je zde hlavně z důvodu

odstranění výstupních harmonických frekvencí a celkově pro vyhlazení

průběhu napětí na ideálně stejnosměrné napětí, čehož nelze dokonale

dosáhnout. Snahou je tedy nastavit hraniční frekvenci filtru na co nejnižší

hodnotu.

Výpočet indukčnosti a počtu závitů cívky (tlumivky), uvažujeme

dvojnásobek B vzhledem k výpočtu poloviční periody, která ovšem

dovoluje dimenzovat tlumivku na krajní hodnoty, nebo-li maximální výkon

SZP dosáhneme právě při 50% otevření tranzistorů v můstku.

][75515)2/( 66 VsdILeeTdUdT

dILU LL

LL ⋅==⋅=⋅=>= −−

][2552.243.13230.0

75

2 4

6

ze

e

SBd

LdIN

EF

≅=⋅

=⋅⋅= −

−

][57.34

3.1314.342.30

625

47

2

0

2

H

ee

eS

lN

L

r

µ

µµ

=

⋅⋅

=

⋅⋅

=

−−

−

][15__ln

],[52/__

]/[2000_

];[115.0B indukce Magnetická

[A];1__Pr

];[2,30__

];mm[3,13_průrůř Efektivní

.

2

VUvstupnííMaximá

sTperiodyPolovina

mHtaPermeabili

T

dIrozkmitoudový

mmldélkaEfektivní

S

MAXIN

r

EF

EF

==

==

==

=

µµ

(3.8.1)


Str.11

3.9 Návrh Chladícího systému :

Chlazení zařízení je založeno na principu pasivního chlazení,

s doplněním o pomocné ochlazování cirkulací vzduchu kolem chladiče, za

pomoci elektrického ventilátoru, jde tedy o koncepci profilového masivního

hliníkového chladiče, umístěného pod silovou desku.

Chladič byl z praktických důvodů navrhnut dle plochy vlastní silové desky,

slouží tedy jako pevný nosič desky, která je zatížena váhou masivního

transformátoru a podpůrných součástek, dále toto výše popsané umístění

umožňuje připevnit přímo na chladič všechny prvky, které je třeba

ochlazovat, při jejich provozu, jedná se především o spínací tranzistory a

usměrňovací diody.

Vzhledem k tepelným ztrátám ( jouleovým ztrátám) na aktivních prvcích

bylo nutné použít masivní pasivní chladič, který je částečně a záměrně

naddimenzován a pro provoz s maximálním výkonem spínaného zdroje

navíc doplněn o již zmíněný elektrický ventilátor.

3.9.1 Výpočet vlastností chladi če chladi če

Pro výpočet je nutné získat hodnoty především tepelné odolnosti

všech chlazených prvků, nejlépe z datasheetů poskytovaných výrobci

součástek. Vzhledem k tomu že v tomto spínaném zdroji jsou necitlivější

právě spínací tranzistory, budeme uvažovat právě jejich hodnoty, které

reprezentují nejméně příznivé parametry všech chlazených prvků.

Potřebná je maximální teplota na čipu tMAXCHIP = 120°C, dále tepelná

rezistivita mezi čipem a casem RTEPELN.R.CHIP-CASE = 2°C/W, maximální

teplota okolí spínacího tranzistoru tMAX.OKOLÍ = 50~70 °C a , čas sepnutí

tranzistoru tRISE = 230 us, čas vypnutí tranzistoru tFALL = 35 us , UIN.MAX =

15V, IIN.MAX = 110 A , RPROP.KANÁLU.TRANZISTORU = 0,006 Ω v neposlední

řadě ztráty PCELKOVÉ = PPROPUSTNÉ + PSPÍNACÍ [W] ,


Str.12

( ) WTTT

IUP FALLRISE

MAXINMAXINP 11

4ztráty Propustné .. ≅+⋅

⋅⋅= ;

se

U

TU

TMAXIN

EFMAXIN

ON µ75,140

6514,1422.

..

=−⋅=⋅

=

WT

t

T

tRIP ONON

S 13006,0110

ztráty Spínací22

≅⋅⋅=⋅⋅=

PCELKOVÉ = 11 + 13 = 24 [W/na 1 tranzistor]

Podobně stanovíme ztráty na diodě = 9 [W/na 1 diodu.]

Celkové ztráty jsou tedy P = 24+9 =33 [W]

Ze ztrát a zadaných katalogových parametrů, lze určit teplotu chladiče na

jednotku wattu a tak vybrat vhodný materiál. Určení provedeme

z následujících vztahů :

]/[33

4

33

5054

5466120

33

33

...

..

.

.

WCP

TTT

TTTT

CPRT

CPRT

MAXCHLADMINOKOLÍMAXMAX

CHLADIČCASECASECHIPCHIPMAXMAXCHLAD

CASECHIPTEPCHLADIČCASE

CASECHIPTEPCASECHIP

°=−=−

=∆

=−=−−=°=⋅=

°=⋅=

−−

−−

−−

3.10 Kondenzátorové baterie

3.10.1 Vstupní kapacitní baterie Vstupní kapacitory slouží v tomto zapojení SZP, jako omezení

odebíraných špičkových hodnot proudu přímo ze zdroje, při vlastním

spínání tranzistorů do primárního vinutí transformátoru.

Vzhledem k vysoké předpokládané kapacitě bude nutné kombinovat

elektrolytické a svitkové kondenzátory, tedy pro vysoké spínací frekvence,

(3.9.1)

(3.9.2)


Str.13

v tomto případě 100[KHz], by bylo ideální použít keramické či pouze

svitkové kondenzátory,

nicméně vzhledem k potřebné vysoké kapacitě přibližně 550[µF], která je

způsobena velkým proudem Iinmax, je neekonomické používat výhradně

keramické kondenzátory, přestože jsou ideální pro vysokofrekvenční

aplikace.

Jedná se sério-paralelní zapojení kapacitorů. Celé zapojení musí být

správně dimenzováno, vůči proudu a napětí které se může vyskytnou na

zdroji, nebo na spotřebiči, jelikož se v podstatě jedná o zapojení

kondenzátorů paralelně ke zdroji a zátěži.

Vstupní kondenzátorová baterie se vypočte za vztahu pro velikost proudu na

kondenzátoru:

][5501

2205,2ItC

6C F

e

Ut

UCI

C

CC µ=⋅=

∆⋅∆==>

∆∆=

−

Vstupní kapacitní baterie je dimenzována na 220A, což představuje

maximální špičkovou hodnotu proudu , danou převodem transformátoru,

který je 1:4 , při maximálním odebíraném proudu na výstupu SZ, 50A.

3.10.2 Výstupní kapacitní baterie

Výstupní baterie je charakterem vlastností a zapojení analogická ke

vstupní kapacitní baterii. Rozdílem je především maximální proud 50[A],

který potřebnou výslednou kapacitu baterie snižuje. Obě kapacitní baterie

jsou složeny z elektrolytických kondenzátorů,

(3.10.1.1)


Str.14

které vykazují lepší proudovou odolnost a vysoké kapacity, které je potřeba

uplatnit, nicméně v oblastech spínací frekvence kolem 100[KHz] tyto

kapacitory nedokáží dostatečně rychle dodávat potřebnou energii,

z toho důvodu jsou paralelně k elektrolytickým kondenzátorům zapojeny

fóliové kondenzátory, které mají podstatně menší kapacitu, ale mají

vysokou proudovou odolnost, nicméně dokáží velmi rychle pokrývat

skokové změny v odběru energie.

Vztah pro výpočet kapacity výstupní kondenzátorové baterie :

][1251

505,2 6

Fe

U

ItC C µ=⋅=

∆⋅∆=

−

3.11 Řídící deska

Jedná se o DPS, která je osazena procesorem značky „texas

instruments s.r.o“ a to typem TMS320F28015PZA, jedná se 32 bittový

procesor, dále zde najdeme ochrané kapacitory, krystaly pro frekvenční

referenci do procesoru, tlačítko pro resetování procesoru, konektor J-TAG

pro programování mikroprocesoru a pasivní filtry typu dolní propust.

4. Měření proud ů

[6]

Proud je měřen pro řízení spínání spínacích tranzistorů a z důvodu

ochrany součástek a uživatele zařízení.

Měření proudů na primárním i sekundárním vinutí transformátoru, je

vytvořeno pomocí obvodu „ACS712ELCTR30AT“, jedná se o proudovou

sondu, která ke své funkci vyžaduje pouze 5 [V] napájecího napětí a jeden

kondenzátor, přičemž je tato součástka dimenzována na měření proudů do

30 [A].

(3.10.2.1)


Str.15

Pro měření v této aplikaci, byly stanoveny proudové bočníky, vzhledem k

v nízkému vnitřnímu odporu měřící sond proudu (1,2 mΩ), byl bočník

stanoven experimentální metodou, během které byl postupně odebírán

materiál na DPS, čímž byl postupně dosažen požadovaný poměr dělení

proudu do větví bočníku.

Výše zmíněným bočníkem jsme dosáhly použitelnosti této proudové sondy

pro aplikaci při měření do 220 [A] a do 60 [A]. Proudová sonda je přímo

připojena na měřící cestu, přičemž hallova sonda, která je uvnitř integrována

odolává do 2,1 [kV] průrazného napětí.

5. Rozbor použitých sou částek

5.1 Mikroprocesor [7] Pro řízení spínání tranzistorů zapojených ve zdvojeném půl-

můstkovém zapojení, dále pak pro zajištění zpracování naměřených dat

v podobě napětí na výstupu spínaného zdroje, taká pro zpracování

naměřených hodnot proudů,

jak na straně zdroje napětí spínaného zdroje, tak na výstupní straně ze SZP

byl zvolen procesor typu TMS320F28015PZA, který je bez větších

problémů schopen takovou to úlohu splnit.

Procesor je řazen mezi 32 bittové signálové procesory s flash pamětí,

procesor nese označení LOW-POWER, označující nízkou spotřebu

elektrické energie, konkrétně pro výpočetní jádro postačí 1,8V a pro ostatní

IO (integr. obvody ) postačí 3,3V. Také je možno pomocí nastavení

jednotlivých registrů vypínat funkce, které se případně při práci dlouhodobě

či dočasně nevyužívají, což opět snižuje spotřebu.

Technologie LOW-POWER je v těchto procesorech integrována

z jednoduchého důvodu, tedy použití procesorů těchto typů při bateriovém

napájení pomocí baterií typu „AA“ a „AAA“ , kde se chceme zbavit

závislosti na síťových rozvodech napájení v zařízeních o malých rozměrech,


Str.16

kde požadujeme dlouhodobější funkci zařízení a je proto velmi žádoucí

maximálně snížit odběr všech součástí včetně procesoru. Při použití

například jedné baterie velikosti „AA“ je možné dosáhnout napětí 3,3V,

které mimo jiné procesor požaduje,

například zvyšovacím step-up měničem, jakým může být například produkt

společnosti texas instruments a.s TPS61220, k němuž postačí připojit 2

SMD rezistory a 2 SMD kondenzátory a zařízení je plně funkční přičemž

podporuje low-power technologii , i samotný step-up měnič je v SMD

pouzdru 6SC70 , jenž zabírá přibližně pouhých 0,5cm2 prostoru.

Procesor je schopen pracovat s cykly až 16,6 ns/ instrukci 60MHz, pracuje

se složitějším typem instrukční sady a řízení sběrnic typu „harvard“,

programovat lze pomocí rozhraní J-TAG, disponuje až 12-cti PWM

výstupy, 12-cti bitovým ADC převodníkem, 32KB flash paměti a třemi

časovači.

5.2 Transformátor [8]

V této aplikaci SZP je zvolen planární transformátor, jehož

konstrukce je popsána v sekci „výpočet transformátoru“, pro tuto

konstrukci bylo zvoleno jádro typ „E“ tedy s označením ETD49, kde 49

značí fyzickou velikost. Jádro je vyráběno z několika materiálů, jakými jsou

například 3C3 , 3C85 , 3C90 a 3F3 .

Porovnáním katalogových údajů došlo k výběru materiálu 3F3, který

nejlépe zachovává své parametry i při spínací frekvenci 100 [KHz], která

nám umožnila použití transformátoru menších rozměrů, je také dobře

teplotně odolný,


Str.17

celkově vykazuje nižší ztráty při narůstajícím pracovním kmitočtu až do

400KHz a tím i při narůstající pracovní teplotě, která je způsobena ztrátami

na transformátoru.

Součástí transformátoru je dále „kostra“, která slouží ke spojení DPS spolu

se závity transformátoru, v konečném důsledku nese celou hmotnost

transformátoru a rozkládá ji na plochu DPS.

Neposlední částí jsou klipsy, které zajistí jádro na kostře proti pohybu,

v tomto okamžiku uvažujeme síly působící na závity a jádro transformátoru,

způsobené průtokem proudu cívkami a následujícím vytvoření

magnetického toku.

Jelikož je transformátor na tuto zátěž navrhnut a dimenzován, již od

výrobců jednotlivých komponent transformátoru, není nutné tuto okolnost

nadále přibližovat. Sílu působící v transformátoru lze spočítat ze vztahu.

Kde F je síla v [N], µ je permeabilita [H/m], π je konstanta s neukončeným

desetinným rozvojem = 3.14159 , I1 je proud cívky od které počítáme sílu,

I2 je proud cívkou ( nebo vodičem) ke kterému počítáme sílu, r je poloměr

vodiče od kterého počítáme sílu a l je vzdálenost mezi cívkami (vodiči).

][2 2

1 NlIr

IlIBF ⋅⋅

⋅⋅⋅=⋅⋅=π

µ

5.3 Spínací tranzistory - ve zdvojeném půl-můstkovém zapojení:

[9]

Pro tento SZP jsou zvoleny tranzistory typu IRL 3803, jedná se o

MOS-FET tranzistory dimenzované na provoz do 140 [A] v pouzdře TO220

AB, které je určené pro připojení na chladič.

(5.2.1)


Str.18

Tyto tranzistory v sobě obsahují paralelně zapojenou, mezi source a drain,

blokovací rychlou schottkyho diodu, což je výhodné z ekonomického

hlediska, jednak z hlediska dalších investic za speciální schottkyho diody,

ale i z hlediska integrace do jednoho pouzdra.

Tranzistory disponují velmi dobrým odporem kanálu 0,006 Ω, což

umožňuje zvýšit dynamiku spínání, tedy je možné použít větší spínací

frekvence tranzistoru, což by u standardního tranzistoru MOS-FET nebylo

bez navýšení především jouleových ztrát, při přeměně energie na teplo,

možné.

Tranzistory jsou dimenzovány od výrobce pouze na 140 [A], což je

nedostatečné pro aplikaci s maximálním špičkovám proudem 220 [A],

z toho důvodu je zapojení půl-můstku provedeno dvojitě, což umožní

poměrné rozložení spínaných proudů do dvou větví dle dílčích odporů větví

a sníží se tímto i zátěž na jednotlivé tranzistory,

tedy při předimenzování - konkrétně na 280 [A], se prodlouží jejich

životnost, což je z uživatelského hlediska vítané.

5.4 Usměrňovací diody: - ve dvoucestném zapojení výstupního zesilovače SZP:

[10 ]

Jedná se o schottkyho bariérové diody, určené pro

vysokofrekvenční, LOW-POWER aplikace, dimenzované na 40 [A]

s nízkými propustnými ztrátami, mají podobně jako spínací tranzistory,

uzpůsobené pouzdro podobné TO220, pro odvod tepla na chladič,

zajímavostí je fakt že plocha pro odvod tepla není kovová (není výrazně

elektricky vodivá), tedy není nutná izolace mezi chladičem a diodou.

Uvnitř je zdvojená konstrukce diody, tedy jsou zde zapojeny 2 diody, které

lze na výstupu z pouzdra v obvodovém zapojení paralelně spojit a


Str.19

dosáhnout tím možného propustného proudu 2 * 20 [A], v tomto zapojení

SZP je nutné použít tuto výše zmíněnou paralelní kombinaci a navíc provést

další paralelní kombinaci dvou diod, čím dosáhneme dimenzace na proudy

80 [A], původní maximální proud,

který může protékat diodou je stanoven jen na 40[A], nicméně celkově SZP

musí být schopen na svém výstupu dodat až 50[A], z tohoto důvodu je

zapojení zdvojeno, přičemž je toto zapojení ekonomicky výhodnější, než-li

diody které jsou dimenzované na přibližně 60[A],

navíc opět dojde k prodloužení životnosti nejvíce namáhaných součástek,

podobně jako tomu bylo u tranzistorů, vzhledem k tomu že nepracují na

svých krajních limitech, což je opět přívětivé pro koncového uživatele.

5.5 Zdroje nap ětí pro IO

Pro obsluhu SZP jsou použity celkem 3 zdroje napětí a 3 drivery,

Nejprve zdroj 5 [V] „78L05“ pro napájení integrovaných obvodů, například

pro sondy proudu, referenční zdroj 3,3 [V] „REF3233“ pro mikroprocesor

na řídící desce ( pro obsluhu periferii a převodníků ),

dále pomocí napěťového děliče i 1,8 [V] , které jsou použity opět pro

procesor, pro výpočetní jednotku, toto napětí je dále filtrováno dolno-

propustním filtre typu LC, a dále je jemně stabilizováno v mikroprocesoru.

V neposlední řadě jsou zde tzvn. Drivery, tedy zdroje které na podmět

procesoru sepnout spínací tranzistory a podobně, jejich hlavní výhodou je

schopnost dodat vyšší proud, než-li je možné odebírat z mikroprocesoru,

čímž umožňují rychlejší spínání tranzistorů.


Str.20

6. Závěr :

Vzhledem k tomu, že doposud není plně zprovozněna DPS pro SZP,

v této BP není zahrnuto měření na výkonové hranici, které je zadáno

v zadání BP.

Ohledně budoucího rozvoje tohoto projektu, se může jednat zejména o

rozšíření funkcí SZP například o informační display, nebo o software, který

by mohl pracovat jednak jako monitorovací stanice stavu a provozu SZP a

za druhé jako jeho nastavování pomocí sériové linky.

Dále by SZP mohl být doplněn o více ochranných prvků, proti

předimenzování součástek či pro větší bezpečnost uživatele, zejména o

prvky nezávislé na práci mikroprocesoru. Také připadá v úvahu použití více

měřících funkcí, jako jsou například teplota transformátoru, či napětí na

vstupu. Aplikace aktivního chlazení ventilátory by pomohla například zvýšit

životnost SZP jako celku. Popřípadě aplikovat na úkor větší ceny účinnější

výstupní filtr napětí a proudu.

Zdroj byl navrhován s ohledem na ekonomickou stránku jeho vlastní

výroby, nicméně některé z výše zmíněních rozšíření nevyžadují

nepřiměřené investice. V dalším rozvoji by bylo vhodné při návrhu více

adaptovat součástky pro použití v automobilu (kde jsou vystaveny

extrémním teplotám a vlhkosti).


Str.21

Použitá literatura a ostatní zdroje [1] DIVÍLEK, Petr. Bakalářská práce, Spínaný laboratorní zdroj napětí. Brno, 2010. [http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=31057 ; 30.05.12-13:00h-UTC+1]

[2] Vodíkový BOOSTER, [http://www.water4gas.com/home.php ; 30.05.12-12:00hUTC+1].

[3] Princip funkce vodíkového boosteru, [http://www.energocont.cz/AZEboostry.htm ; 30.05.12-12:00hUTC+1]

[4] Schottkyho dioda do usměrňovače-datasheet, [http://www.farnell.com/datasheets/64471.pdf ; 1.6.12-11:00h-UTC+1] [5] Feritové jádro cívky-datasheet, [http://www.ges.cz/cz/feritove-toroidni-jadro-ft-50-77-GES05500030.html ; 1.6.12-11:00h-UTC+1] [6] Sonda proudu-datasheet, [http://www.farnell.com/datasheets/87691.pdf ; 1.6.12-11:00h-UTC+1] [7] Mikroprocesor TMS -datasheet, [zdroj:

http://www.ti.com/product/tms320f28015#feature ; 29.05.12-

16:00h.UTC+1]

[8] Jádro a kostra transformátoru-datasheety, [

http://www.tme.eu/dok/e/etd49.pdf ;29.05.12.16:00h.UTC+1]- JÁDRO

[ http://www.tme.eu/html/CZ/kostry-a-prislusenstvi-pro-jadra-

etd/ramka_810_CZ_pelny.html ;29.05.12.16:00h.UTC+1]- KOSTRA

[9] Spínací tranzistory - datasheet, [http://www.tme.eu/dok/I/irl3803.pdf

;29.05.12.16:00h.UTC+1]

[10] Usměrňovací dioda -datasheet, [http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/a/0sdqwa00h2y1dkkptg1rkrfh7

Teoretické části práce byly inspirovány, literaturou:

Krejčiřík Alexander: Napájecí zdroje I. - základní zapojení spínaných napájecích zdrojů, 2. vydání, BEN, 1996

Pro vypracování této BP byl použit software microsoft office 2003 a program Eagle v obou případech se školní licencí Západočeské univerzity v plzni.

Documents

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE - zcu.cz...IV. Abstrakt Vyroubal, Evžen. Procesorem řízený spínaný regulovatelný zdroj proudu. Plzeň, 2012. Návrh silového spínaného zdroje proudu,